반강자성체의 신기한 스핀 홀 효과
Observation of antiferromagnetic spin Hall effect
지난 20년간 (그리고 지금까지도) 스핀트로닉스 분야의 연구 화두는 스핀류(spin current)를 통해 자기 구조(magnetic configuration)를 제어하는 것이었다. 당연히 스핀류의 생성에 관한 연구와 자기 구조의 동역학에 대한 연구가 활발히 이루어졌는데, 본 논문은 일반적으로 스핀류의 원천으로 사용되는 중금속층을 반강자성체(antiferromagnet)로 바꾸었을 때 스핀류가 어떻게 생성이 되느냐에 대해 연구하였고, 그를 통해 효율적으로 자기 구조를 제어하였다.
반강자성체의 스핀류를 이야기 하기 전에, 먼저 일반적으로 사용하는 중금속층의 스핀류 생성 과정을 알 필요가 있다. 중금속층의 스핀류는 스핀 홀 효과(spin Hall effect)를 통해 만들어지는데, 스핀 홀 효과란 인가한 전류의 수직방향으로 순수 스핀류(pure spin current)가 생성이 되는 효과이다. 중금속층은 시간 역전 대칭성(time-reversal symmetry)이 있기 때문에, 전류 방향, 스핀류 방향, 스핀 방향이 모두 수직하다. 예를 들어, x 방향으로 전류를 흘리면 z 방향으로 y 스핀을 가진 스핀류가 흐른다는 것이다.
그러나 (반)강자성물질에는 시간 역전 대칭성이 깨져있다. 따라서 전류 방향, 스핀류 방향, 스핀 방향이 모두 수직한 방향으로 정해질 이유가 없다는 것이다. 특별히 이 연구에서 사용한 물질인 Mn2Au 는 기본 격자 단위(unit cell)에서 반전 대칭성(inversion symmetry) 역시 깨져있다. 이로부터 스핀-궤도 결합(spin-orbit coupling)이 생길 수 있고, 움직이는 전자가 다른 자기 모먼트(magnetic moment)를 가진 Mn 원자에서 다른 방향의 유효 자기장(effective magnetic field)을 받아 각각의 스핀이 반대 방향으로 세차(precession) 운동을 한다. 이를 통해 ‘특별한’ 스핀 방향을 가진 스핀류가 생성이 될 수 있고, 본 논문에서는 그 중에서 x 방향 전류에 대한 z 방향으로 흐르는 z 스핀에 대해 연구하였다.
z 방향 스핀이 자성층에 y 방향 스핀과 함께 주입이 되면 자기장의 도움 없이 자기 구조를 제어할 수 있게 되는데, 이후 소자를 작게 만드는 공정에서 꼭 필요한 기술이다. 이러한 자기장의 도움 없이 자기 구조를 제어하는 기술이 없었던 것은 아니지만, 이 논문에서는 Mn2Au 의 antiferromagnetic order parameter를 제어하여 z 방향 스핀을 원하는 대로 제어했으며, 이를 통해 on/off 형식으로 자기 구조를 제어할 수 있었던 점에서 흥미로운 논문이 아닌가 생각한다.
작성 이근희
E-mail : ghlee0001@kaist.ac.kr
참석자(ZOOM seminar): 박민규, 원운재, 박재현, 이택현, 김현규, 이근희, 송무준, 양지석, 지유빈, 고산